不死鳥的傳奇——“隼鳥”家族的小行星之旅(上)


對未知的探索總是充滿了不確定性和危險性。在大航海時代,無數風帆折戟深海;早期的飛行史,無數的飛機折翼藍天;當人類的腳步延伸到太陽系的時候,又有一些探測器像斷線的風箏一樣杳無音信。

而和大多數的航海航空迥然不同的是,絕大多數的航天探測器,一旦踏上旅程,飛向廣袤的太陽系,也是義無反顧,一去不復返,極少有再能回到地球懷抱的幸運兒。

不死鳥的傳奇——“隼鳥”家族的小行星之旅(上)

生死未卜,義無反顧,這使得航天探測器的旅程多少有些悲壯,然而卻有這樣的一個幸運兒。是一隻不向命運屈服的“隼鳥”,在探索一片從未涉足過的陌生小行星時,“身體”不幸受到巨大摧殘,甚至和地面失去了聯繫。在這樣的情況下,“隼鳥”卻毅然決然的堅持了下來,大難不死,最後在人類的幫助下,重新返回地球。

這隻成就了不死鳥的傳奇的,就是“隼鳥”號小行星探測器。

在“隼鳥”號功成名就之後,“隼鳥”家族再添一名得力幹將——“隼鳥”二號小行星探測器。這顆探測器一直在追隨著前輩的腳步前進,並且已經離目標小行星近在咫尺了。“隼鳥”二號將於一個月內抵達目標小行星“龍宮”。預計兩年後,“隼鳥”二號便會攜帶著“龍宮”的禮物返回地球。

接下來,我們來逐一認識“隼鳥”家族的兩位成員。

命途多舛卻大難不死的“隼鳥”號,是世界上第一個成功從小行星採集到樣品並返回地球的探測器,也是第一個成功在小行星表面進行停留並離開的探測器。不過這些光環的背後,卻是“隼鳥”號辛酸的“傷病史”,這些“傷病”差點毀了“隼鳥”號。

接二連三的故障曾經導致“隼鳥”號與地球失聯過,發動機也接二連三的罷工,電能供應也差強人意,返回地球的希望曾經變得十分渺茫。然而“隼鳥”號頑強的堅持了下來,在時間表推後了3年之後,成功的安全返回了地球,傳奇的經歷,加上隼鳥的名字,被大家稱之為一隻不死鳥。


不死鳥的傳奇——“隼鳥”家族的小行星之旅(上)

“隼鳥”號是顆看起來很樸素的探測器,是一個長1.6米,寬1.1米,高1米的立方體形狀。重量也只有510千克,而通常相同壽命的人造地球衛星重量在一兩噸左右。

不過“隼鳥”號樸素的背後卻包含著很多的新技術,這些尚未成熟的新技術即賦予了探測器新的活力,新技術的不穩定性也是“隼鳥”號最終傷痕累累的一個因素。

另一個不同於當時的絕大多數探測器的地方是,“隼鳥”號的探測目標是一顆名不見經傳的小行星,而在此之前,大多數熱門天體都是大行星。

之所以選擇小行星而非通常的大行星,是經過天文學家們深思熟慮的。天文學家們認為,太陽系中較大的天體都經過了漫長的行星分化,現在的構造和形成時的構造已經滄海桑田了。行星分化的一個簡單的解釋是,行星上密度較大的物質逐漸向下沉積,密度較低的物質被逐漸抬升到地表,日積月累之後,形成了成分差異很大的地層。

太陽系中較大的天體,包括月球在內,都有不同程度的行星分化,而很多小行星們由於體積太小,幾乎沒有經歷過行星分化,幾乎還保持著和誕生時幾乎相同的狀態,這就意味著,這些小行星們就像太陽系的“時間膠囊”一樣,保存著很多太陽系早期形成之時的信息,很可能可以為我們了解太陽系的形成和演化提供重要的痕跡和線索。

最簡單的例子是,儘管地球已經四十多億的高齡了,但在地球表面找到一塊30億年前的岩石十分困難,而在月球上找一塊古老的岩石要容易的多,在小行星上,則遍地都是古老的岩石。


不死鳥的傳奇——“隼鳥”家族的小行星之旅(上)

“隼鳥”號選擇的小行星尤其的袖珍,目標小行星編號25143號 “絲川”,是一個僅有535米長,294米寬和209米高的大“土豆”。這個尺寸僅僅只有9個國家體育場“鳥巢”的大小,或者16座胡夫大金字塔的體積。小行星“絲川”也成為了人類主動探測的最小的一顆天體。

小行星“絲川”並不位於我們所熟知的,介於火星和木星之間的小行星帶,而是一顆阿波羅型小行星。這類小行星主要分布在金星和火星的軌道之間,它們的軌道和地球軌道有交點。也正因為如此,部分阿波羅型小行星接近地球的時候距離非常近,這些使得阿波羅型小行星成為相對容易探測的一類小行星。

“隼鳥”號於2003年5月9日從鹿兒島航天中心發射升空。好景不長,發射後不久,超強的太陽黑子爆發,“隼鳥”號部分太陽能帆板失效,太陽能電量供應下降。雪上加霜的是,之後它的蓄電池也掛了,所以只能靠太陽能帆板提供全部的能量。這個故障對於“隼鳥”號的際遇而言只是命運的開胃小菜,最初的行程還算順利。

2004年5月19日,“隼鳥”號再次飛掠地球,為什麼離開地球之後又一次飛回來呢? “隼鳥”號和地球都只是恰好繞太陽轉了一圈,兜…兜圈怎么能算回頭路呢,就是一直向前走的啊。

而在技術層面上,這是一個非常節約成本的選擇,這樣的軌道設計對燃料的需求比較低,“隼鳥”號還可以借用地球的引力加速來提高自己的效率。要知道為了節省燃料,本應飛向地球外側的“卡西尼”號甚至借力了地球內側金星的引力加速。

引力加速的基本原理是動量守恆,我們常見的動量守恆出現在檯球場上,如果不計桌面阻力,那么檯球的碰撞滿足動量守恆。而探測器和行星直接的“碰撞”則通過非接觸的萬有引力來實現,當探測器飛掠過行星並改變方向的時候,會受到行星引力的作用,增加或減小動量,從而增加或減小探測器的速度。

另一個實現這種低成本低燃料消耗的,就是“隼鳥”號使用的一個新技術離子推進發動機。這款發動機並不是在“隼鳥”號使上首次使用的,但像“隼鳥”號這樣如此長時間使用和驗證離子推進發動機的卻不多見,這也是 “隼鳥”號的一個科學目標。這種發動機目前的推力相比常見的化學能發動機要小得多,因此火箭都使用了化學能發動機推進。但離子推進發動機非常節省燃料,因此可以減少燃料的重量和…錢。並且離子推進發動機在太空中長時間的加速性能滿足太空飛行器的使用,因此有望成為未來長距離太空飛行器的主要發動機類型。不過“隼鳥”號的曲折經歷無一不和離子推進發動機有關,我們可以看到這項新技術是如何像蹦極一樣,將“隼鳥”號推進深淵,又從深淵裡拉回。

不死鳥的傳奇——“隼鳥”家族的小行星之旅(上)

(不同離子的發動機噴射顏色)

2005年7月29日,“隼鳥”號的儀器首次拍攝到目標小行星“絲川”,這標誌著“隼鳥”號已經快要接近目的地了。

值得一提的是,“隼鳥”號採用的是自動追蹤目標天體的技術。漫漫太空,如果沒有合適的方法,尋找任何一顆天體都無異於大海撈針,那么怎么樣在茫茫太空中定位方向和自己的位置呢?這是一個遠早於航天的問題,困擾著所有想定位自己的古人,最簡潔的答案就是測星。

由於恆星離我們非常遙遠,因此恆星的運動對於我們而言可以忽略,這也是恆星名字的由來。通過測量某一時刻的三顆不同位置的恆星,就可以確定自己的位置了。

測星的方法可以追溯到大航海時期的水手們。而兩次世界大戰中的潛艇,在長期潛航,安全浮出水面後,面對星空的第一件事,不是感嘆,而是趕緊測星來修正自己的位置。時至今日,北斗和GPS等衛星定位系統的定位基本原理仍然秉承這一理論。

那么,看不清怎么辦?測不準怎么辦?不急不急,看不清拉倒,“隼鳥”號的星圖里保持了上千個恆星的坐標,看不清這個看那個了。而測量定位肯定是有誤差的,因此,每隔一定距離,“隼鳥”號會再次進行測星,對飛船的位置和方向進一步校準。

不死鳥的傳奇——“隼鳥”家族的小行星之旅(上)

一切似乎都非常的順利。

然而僅僅兩天后的2005年7月31日,“隼鳥”號就出現了第一個大問題——x軸姿態控制失靈,這相當於一架不能控制向左右轉彎的飛機。

現代的太空飛行器大多採用的是三軸穩定的方式,即通過內部控制器的調整,穩定太空飛行器在x,y,z三個坐標軸上的方位,保證太空飛行器在漫無邊際的空間中維持自身的相對穩定。

壞了一個方向的控制的情況並不算糟糕,“隼鳥”號可以用自己的發動機調整自身姿態。

2005年9月12日,“隼鳥”號離目標小行星“絲川”僅相距20km,官方宣布“隼鳥”號順利的抵達目的地。

然而禍不單行, 10月2日,“隼鳥”號的y軸姿態穩定也失靈了。 

中篇:不死鳥的傳奇——“隼鳥”家族的小行星之旅(中)


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